地球物理信息科学基础.pptx

1、地球物理信息科学基础地球科学系 田钢 教授2010.10.29目录第一节引言与概述第二节地球物理信息采集与方法原理第三节地球物理数据处理与解释应用5.1引言地球物理学定义以地球为研究对象的一门现代应用物理学，它包含了很 多分支学科，涉及海、陆、空三域，是物理、力学、数学、计算数学、天文学、海洋学、化学、地质学之间的一门边缘 学科。地球物理信息探测基础首先从地质学的应用开始发展起来的即用物理的原理 研究地质构造和解决找矿勘探中问题的方法。它是以各种岩石 和矿石的密度，磁性、电性、弹性、放射性、热力学等物理性 质的差异为研究基础，用不同的物理方法和各种物探观测仪器，探测天然的或人工的地下地球物理场

2、的变化，通过分析、研究 所获得的物探资料，推断、解释地下物体的分布情况。5.1 引言地球物理发展历史纵观地球物理学的发展史，可以看出很多著名科学 家做出了很大贡献，如我国东汉时期的张衡；公元前4世纪的希腊人阿里士多德；公元16-17世纪期间，法国 人菲涅尔、斯奈尔和英国人牛顿、惠更斯；18世纪的卡 文迪什、布格等人以及数学家达朗倍儿、拉格朗日、拉 普拉斯、勒让德和泊松等人；19世纪-20世纪期间，英 国人奥尔德姆、南斯拉夫人莫霍诺维奇、德国人古登堡 等人。5.1 引言地球物理方法的优越性在第四系土壤沉积覆盖地区，利用肉眼观测地质 构造和矿物岩性几乎是不可能,地球深部的结构和特点是 我们研究地球

3、演化的基础,而这些恰恰需要利用地球物理 方法技术去进行对目标物的无损信息探测。地球物理信息的探测既可以弥补地质普查勘探手段 的不足，利于综合普查找矿和地质填图，同时又可以减少 钻探和槽探工程量，提高工作效率，节省成本，减少污染 和破坏。地球物理为现代科学技术发展的一个重要领域，特别是国防领域的特殊性质，使得它的应用更为广泛。5.1 引言主要的地球物理信息探测方法:重力勘探、磁法勘探、电（电磁）法勘探、地震勘 探和放射性勘探等。依据工作空间的不同地球物理方法又可分为：地面地球 物理、航空地球物理、海洋地球物理、钻井地球物理等；按照研究目标的不同地球物理技术又可分为：矿产地球 物理、能源地球物理、

4、工程与环境地球物理、大地构造地 球物理、军事地球物理、农业地球物理、城市地球物理和 考古地球物理等。5.1 引言地球物理与医学物理的共性与类比:我们若将它们同以人体为研究对象的医 学物理检查方法手段进行对比的话，可以发 现它们在本质上是大同小异的.比如核磁共振 仪、血压计、脑电与心电仪、超声B超与X射 线CT等。只不过由于（1）地下地质结构的复 杂性和未知性；（2）观测方位的局限性；（3）包括人力和物力的投入不足等，使得地 球物理方法的研究更加困难。5.1 引言地球物理信息科学的特点地球物理学本质上是一门信息观测的科学，高精度和 高分辨率的观测与实验仪器和设备乃是在地球物理学发展 进程中的“前

5、哨”，因此地球物理学的观测仪器技术的发 展尤为关键。当然数据的处理和解释方法也十分重要，否 则信息从噪声中难以分离出来，分辨率也无法保证，更谈 不上解释信息所代表的意义。5.1 引言5.2地球物理信息采集与方法原理一、地球物理信息采集系统简介历史与现状如今地球物理信息采集设备研制领域已成为国际上现代物理技术、电子技术和计算机技术等高新技术 展现水平和各国综合实力PK的舞台，可喜的是从近几 年国家863高新技术项目的情况来看，我们国家的落 后状况已开始得到重视并正在得到改善。5.2地球物理信息采集与方法原理1、地震仪地震仪是用来接收和记录 地震波的仪器。主要由检 波器（或称拾震器）、放 大器和记

6、录器三部分组成。检波器是一种机电转换装置。其结构如右上图所示。当地面振 动时，由线圈组成的惯性系统在磁场中做相对运动，并产生感 应电流，从而将地面的机械振动转换为电振动，以利于地震信 号的传输和放大。检波器分为垂直和水平两种，分别拾取地面 垂直震动和水平震动的信号。地震压电检波器的原理图示5.2地球物理信息采集与方法原理5.2地球物理信息采集与方法原理近年来新出现的以MEMS（Microelectric Mechanical Syetem）为基础的微机电系统传感器技术使得地震检波器 技术又出现了一个新的飞跃。它一方面将大大降低石油勘 探的成本，另一方面还可以提高勘探精度。MEMS技术是建立在微

7、米/纳米技术基础上的21世纪前沿技术，是指对微米/纳米材料进行设计、加工、制造、测 量和控制的技术。它可将机械构件、光学系统、驱动部件、电控系统集成为一个整体单元的微型系统。最近人们把这项技术用于地震勘探领域，使用这项技 术制造的三维三分量检波器具有超低噪声、大动态范围和极 高的保真度。另外光栅型检波器目前处于研制试验阶段。5.2地球物理信息采集与方法原理5.2地球物理信息采集与方法原理地震仪器中放大器的作用是将检波器送来的微弱信号进 行放大，经滤波器去掉干扰波，再由自动振幅控制器把不同 深度上能量相差悬殊的地震信号的振幅控制在一定范围内，以便同时记录下来。模拟（数字）记录器是将放大、滤波和自

8、动振幅控制的 地震信号记录下来的装置。随着电子技术的飞速发展，地震仪经历了两次大的变革，已改进为现今的数字磁带地震仪。数字磁带地震仪是把检波 器接收到的连续地震信号经离散取样，变成数字形式的离散 振幅值记入磁带。数字地震仪的动态范围大，信噪比高，并 可以直接输入计算机处理。5.2地球物理信息采集与方法原理天然地震和人工地震的地震仪器记录天然地震和人工地震的地震仪器不完全相同，因 为人工地震的采样空间和时间密度以及精度都要大于天然 地震，但它们都是时间序列信号，因此很多时间序列信号 的处理方法都可以互相参考借用。地震采集系统发展趋势-是多道接收、遥测传输和高 精度数字检波器的使用。下面的表5-1

9、给出了目前通用的几 种地震勘探仪器的主要指标对比，从中我们可以看出其发 展水平和发展趋势。5.2地球物理信息采集与方法原理表5-1目前流行的几种地震仪的性能指标比较5.2地球物理信息采集与方法原理5.2地球物理信息采集与方法原理图5-2地震勘探野外工作原理示意图5.2地球物理信息采集与方法原理图5-3P Velocity structure in the crust across the West Kunlun Mts.-Tarim basin-Tian Shan下面的左图是法国Sercel公司生产的最新产品SERCEL408DSU 的野外采集系统，右图是仪器车内的控制监控系统的图片。法国Se

10、rcel公司生产的全数字式地震仪图片5.2地球物理信息采集与方法原理2、重力仪重力仪定义-用来记录地下物质密度分布不均匀所造成的重 力变化的仪器。重力仪的种类-重力仪的种类很多，其中采用静力平衡原理 进行工作的仪器有石英弹簧重力仪和金属弹簧重力仪，他们都是 进行相对重力测量的仪器，可用于地面和海洋测量。振弦重力仪-利用动力平衡原理即利用悬丝的固有频率与重 力有关的原理进行工作的仪器，它既能进行相对重力测量，又能 进行绝对重力测量，可用于海洋、航空及井中测量。随着科学技术的进展，航空重力仪的精度正逐步提高。一些 新型仪器，如超导重力仪和激光重力仪等也已出现。5.2地球物理信息采集与方法原理由于重

11、力异常特别是金属矿体产生的重力异常，往往很微 小，甚至只有几分之一个重力单位，这就要求仪器精度达到，即重力全值的10-8数量级。为使仪器在保证高精度的前提下适 应野外工作，这就要求仪器达到体积小、重量轻的标准。图5-5是国产ZSM-III型石英弹簧重力仪的弹性系统结构图，该弹性系统为熔融后的石英制成的。图5-5重力仪的弹性系统结构图5.2地球物理信息采集与方法原理重力仪器现在的发展趋势是 高精度、自动调平以及向量重力 梯度仪（超导、原子干涉）的研 制。另外一个发展方向就是卫星 测高和卫星重力梯度技术。图5-6是加拿大生产的高精 度重力仪的外形图。图5-6加拿大CG3高精度重力仪5.2地球物理信

12、息采集与方法原理5.2地球物理信息采集与方法原理超导重力仪工作原理：首先设法在超导线圈内产生一个永久 性的闭合电流。由于超导体的电阻为零，这一电流非常稳定。然后，在超导线圈所产生的一次磁场中放置一个同样由超导 材料做成的小球。由于超导体的完全抗磁性，磁场不能穿入 小球内部。小球表面感应电流所产生的二次磁场与线圈永久 电流所产生的一次磁场互相排斥，使小球浮起，当小球受到 的浮力与其重量互相平衡时，小球则浮在线圈上方的一定高 度。重力的变化将引起小球平衡位置的改变。准确测出小球 位置的变化，就可以求出重力的变化。3、磁测仪器磁测仪器总称为磁力仪。按其构造特点又可分为机 械式磁力仪和电子式磁力仪。机

13、械式磁力仪又称磁秤，是利用静力平衡原理进行 地磁场相对测量的。磁称有二种，一种是测量地磁场垂直分量相对值的 垂直磁秤；另一种是测量地磁场水平分量相对值的水平磁 秤。图5-7是国产CS2-61型悬丝式垂直磁秤内部结构图。5.2地球物理信息采集与方法原理图5-7国产磁秤内部结构示意图5.2地球物理信息采集与方法原理仪器简单工作原理当仪器周围存在磁体时，受其影响，磁系将发生微小偏 转，利用平面反光镜将反射光线投射在刻度尺上，使磁棒的 倾角值转换成刻度尺上的读数，磁读数乘以格值即磁场的变 化值。当磁棒偏角较大，反射光线偏出刻度尺范围时（这种现 象叫超格），可转动扭鼓改变悬丝的扭力矩，使倾角减小直 到可

14、读数为止，改变悬丝扭力矩的量级可从扭鼓上读出。该 仪器精度一般在10-20nT之间。5.2地球物理信息采集与方法原理电子式磁力仪包括磁通门磁力仪、质子旋进式磁力仪、光泵磁力仪和超导磁力仪等。这类仪器精度很高。如光泵磁力仪精度可达0.01nT，而超导磁力仪竟高达10-6nT。因 此这类仪器除用于磁法勘探外，还在地磁绝对测量、国防 磁探测以至宇宙探测中发挥作用。地面磁测最常用的电子式磁力仪是质子旋进磁力仪，它 是利用质子在地磁场中作陀螺式旋进的原理制造的，精度 可达1nT。除广泛应用于地面测量外，还用于航空和海洋 磁测。5.2地球物理信息采集与方法原理磁测仪器目前的发展趋势是超导磁力仪、航空高精度

15、 磁力仪与海底磁力仪的研制与应用。图5-6是目前通用的 美国产MP4高精度磁力仪外形结构图。图5-6MP4高精度磁力仪5.2地球物理信息采集与方法原理5.2地球物理信息采集与方法原理超导磁力仪（superconducting magnetometer）：某些 金属如铅、锡、铌等在冷却到一个相应的极低温度以下 时，其电阻为零，这种现象叫做超导效应。超导效应与 磁场之间有密切关系，在一定条件下磁场可以破坏超导 状态。利用这一现象观测磁场的仪器称为超导磁力仪。这种磁力仪灵敏度可达到10-510-6纳特，适于进行分量 相对测量，测量范围极宽,响应频率也较高（0n10 赫）。因此，近年来得到了很大的发展

16、。但由于仪器工 作时需要以液氦作为冷却剂，消耗较大，生产、运输、储存均感不便。解决这一问题的途径在于研制小型专用 制冷机或有待较高温度的超导材料的出现。4、电磁方法仪器图5-9是德国Metronix公司生产的GMS-06大地电磁测深仪 器，它自带GPS天线进行测量定位，该仪器体积小，野外施工 方便，其磁传感器MFS-06具有多种突出特征，这使它成为电磁 勘探中的一流设备。通常采用的是感应式磁接受器（也称磁探 头）或磁通门式磁探头，也有用光泵或超导磁探头的。电接收 器常用较稳定的铅电极（长期观测用）及各类不极化电极。图5-9大地电磁测深仪的工作原理及探头图5.2地球物理信息采集与方法原理5.2地球物理信息采集与方法原理VTEMVarious Airborne SystemsAeroTEMFixed-Wing TDEMHelicopter FDEM5、电测仪器电测深法中视电阻率的测定是通过观测供电电流I及其产 生的电位差，再用公式计算而得。可见，电测仪器的主要任 务就是测量电位差和电流，但并非普通的电位差计都可应用。图5-10是重庆产的高密度电阻率测量仪器的外形图以及电极 测量原理。图5-